內(nèi)陸水域排放口近區(qū)溫排水?dāng)?shù)值模擬研究概述

覃春麗，張琨，張愛玲，上官志洪，陳小莉

(1.中廣核集團(tuán)蘇州熱工研究院，江蘇蘇州　215004；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京　100082；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京　100038)

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內(nèi)陸水域排放口近區(qū)溫排水?dāng)?shù)值模擬研究概述

覃春麗1，張琨2，張愛玲2，上官志洪1，陳小莉3

(1.中廣核集團(tuán)蘇州熱工研究院，江蘇蘇州215004；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038)

摘要：根據(jù)內(nèi)陸和濱海水域溫排水?dāng)?shù)值模擬的差異，對(duì)我國(guó)內(nèi)陸水域溫排水?dāng)?shù)值模擬現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。在調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)了美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)署推薦的近區(qū)模擬工具CORMIX專家系統(tǒng)的特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹了美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局推薦的兩個(gè)近區(qū)模擬工具的適用性和應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為我國(guó)內(nèi)陸水域排放口近區(qū)溫排水?dāng)?shù)值模擬工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：環(huán)境水力學(xué)；溫排水；內(nèi)陸水域；近區(qū)；數(shù)值模擬

為保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，解決經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)帶來(lái)的日益突出的電力供需矛盾，近年來(lái)我國(guó)相繼建設(shè)了一批火電和核電項(xiàng)目。電廠發(fā)電后廢熱通過(guò)溫排水排入受納水域，而溫排水對(duì)環(huán)境的影響程度取決于受納水體對(duì)溫排水的摻混稀釋作用。影響稀釋的主要因素包括：溫排水的流量、溫排水與受納水體的溫差、受納水體的水動(dòng)力特征和溫排水的排放方式等。

一般來(lái)說(shuō)，溫排水水溫高于受納水體，因而兩種流體的密度不一致，導(dǎo)致溫排水與受納水體初始摻混時(shí)呈現(xiàn)浮羽流特性。當(dāng)溫排水排放流速大于受納水體流速時(shí)，初始摻混將呈現(xiàn)射流特性。以上兩種特性的組合使得溫排水與受納水體的初始摻混呈現(xiàn)三種水動(dòng)力形態(tài)：浮羽流、純射流和浮射流。當(dāng)溫排水排放呈現(xiàn)浮射流特性時(shí)，溫排水會(huì)與受納水體迅速摻混，能夠在較小范圍內(nèi)達(dá)到較高的稀釋度。為了達(dá)到這種狀態(tài)，很多國(guó)家普遍采用擴(kuò)散器形式排放溫排水。

由于溫排水與受納水體摻混稀釋的水動(dòng)力特性在排放口附近水域和較遠(yuǎn)水域有較大差異，因而在研究中，通常將摻混水域分為近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)：近區(qū)溫排水的稀釋規(guī)律主要取決于排放口的幾何特征和浮射流特性，該階段溫排水的摻混稀釋以浮射流引起的剪切卷吸、湍流卷吸、渦流卷吸和強(qiáng)制混摻作用為主，稱為主動(dòng)稀釋過(guò)程；遠(yuǎn)區(qū)溫排水的摻混稀釋是通過(guò)受納水體的輸移擴(kuò)散來(lái)完成的，稱為被動(dòng)稀釋過(guò)程。由于這兩個(gè)空間區(qū)域的摻混稀釋機(jī)理不同，通常采取不同的模擬研究手段。

1我國(guó)內(nèi)陸水域溫排水?dāng)?shù)值模擬研究現(xiàn)狀

溫排水?dāng)?shù)值模擬研究工作的程序一般是首先模擬流場(chǎng)，在流場(chǎng)的基礎(chǔ)上模擬溫度場(chǎng)。現(xiàn)有溫排水模擬的研究領(lǐng)域多集中于濱海水域，由于濱海水域與內(nèi)陸水域在流動(dòng)特性上存在較大不同，因而數(shù)值模擬工作的側(cè)重點(diǎn)也應(yīng)有所不同。

在空間區(qū)域上，濱海水域的流場(chǎng)在水平方向通常具有往復(fù)性流動(dòng)特征，水平尺度遠(yuǎn)大于垂向尺度，呈現(xiàn)平面二維特性，則濱海水域的溫排水模擬工作大多采用沿水深平均的平面二維數(shù)值模型；對(duì)于內(nèi)陸水域，受納水體為河流時(shí)，通常為單向流，其橫斷面尺度相近，一般來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)三維特性。當(dāng)溫排水為表層排放時(shí)，溫排水的浮力特性較弱，一般可以忽略，因而濱海水域采用平面二維模型是合適的；若溫排水的排放口位置位于水面以下時(shí)，浮力特性則不可忽略，需采用三維模型進(jìn)行模擬。

隨著理論認(rèn)知的不斷深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在水質(zhì)數(shù)值求解領(lǐng)域發(fā)展出了眾多成熟的模擬工具，并在國(guó)際上得到了廣泛應(yīng)用，如MIKE系列、EFDC、DELFT3D和FLUENT等。以上四種模擬工具均可開展濱海水域和內(nèi)陸水域的溫排水模擬，在我國(guó)內(nèi)陸水域三維水質(zhì)模擬中也不乏應(yīng)用案例，如MIKE3曾用于模擬湘潭火電廠溫排水在湘江中的分布特性[1]、新船伊型喀什河上游梯級(jí)開發(fā)對(duì)庫(kù)區(qū)水溫和流速的影響[2]等；EFDC曾用于模擬咸寧核電廠溫排水在富水水庫(kù)中的分布特性[3]、沈陽(yáng)市渾河流域突發(fā)事件水質(zhì)模擬[4]等；DELFT3D曾用于模擬西湖中污染物的推移擴(kuò)散特性[5]、堵港蓄淡水庫(kù)水體淡化過(guò)程[6]、荊江沙市微彎河段流速和含沙量分布[7]等；FLUENT曾用于模擬咸寧核電廠排放的低放廢水在富水水庫(kù)中的分布特性[8]。MIKE3、EFDC和DELFT3D一般不考慮排放口的幾何特性，將排放口概化為點(diǎn)源，無(wú)法考慮完整的浮射流特性，或僅能考慮射流流速而無(wú)法考慮流向，或僅能考慮浮力而不能考慮射流流速。這三種模擬工具對(duì)溫排水遠(yuǎn)區(qū)的模擬較為準(zhǔn)確。

在我國(guó)，核電廠溫排水對(duì)水環(huán)境影響評(píng)價(jià)的審評(píng)過(guò)程中，遠(yuǎn)區(qū)影響一般采用數(shù)值模擬結(jié)果，近區(qū)采用物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然FLUENT可以考慮排放口的幾何特性，從而將近區(qū)浮射流和遠(yuǎn)區(qū)輸移擴(kuò)散進(jìn)行完整模擬，但其對(duì)網(wǎng)格剖分要求極高、計(jì)算量巨大。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)科研院所自主開發(fā)的溫排水模擬工具中，或多或少都存在不能模擬近區(qū)浮射流的情況。

與濱海水域相比，內(nèi)陸排放口附近的水域存在飲水點(diǎn)、灌溉點(diǎn)、養(yǎng)殖區(qū)和水生生物等，潛在的受影響對(duì)象更復(fù)雜，環(huán)境敏感點(diǎn)更多。因此，這對(duì)排放工程形式(如擴(kuò)散器等)和溫排水排放近區(qū)的精細(xì)模擬提出了更高要求。

2美國(guó)近區(qū)模擬工具應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

排放口近區(qū)模擬以浮射流理論為基礎(chǔ)，浮射流的數(shù)學(xué)模型有長(zhǎng)度比尺模型、積分模型和紊流模型。在解決浮射流實(shí)際問(wèn)題時(shí)，往往是多種方法聯(lián)合使用。例如，在工程領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的是美國(guó)環(huán)保署推薦的CORMIX專家系統(tǒng)和Visual Plumes模型，這兩個(gè)模型均結(jié)合了卷吸積分模式和長(zhǎng)度比尺模式。

2.1模型簡(jiǎn)介

CORMIX是一個(gè)分析并預(yù)測(cè)污染流在受納水體混合區(qū)稀釋擴(kuò)散規(guī)律的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)還可用于設(shè)計(jì)并優(yōu)化排放口或擴(kuò)散器。CORMIX把水流的各種水動(dòng)力條件，如射流與水體表面和水底的動(dòng)力相互作用考慮在內(nèi)，綜合了大量的物理模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)資料，適用于篩選各種可能的初始混合情景，可對(duì)單孔排放、多孔排放和表面排放進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)各種流動(dòng)情況下特征長(zhǎng)度比尺的相對(duì)大小歸類，進(jìn)行污染物分布特性模擬。

CORMIX將受納水體概化為三維矩形，根據(jù)排放口的不同形態(tài)分為三個(gè)模塊：CORMIX1和CORMIX2分別針對(duì)單孔和多孔排放，排放口位置可位于水面和水下；CORMIX3針對(duì)表層面源排放。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，CORMIX對(duì)排放口參數(shù)的設(shè)置滿足絕大多數(shù)現(xiàn)實(shí)工程需求，如CORMIX1滿足95%以上的單孔排放情形，CORMIX2滿足80%以上的多孔擴(kuò)散器設(shè)置，CORMIX3滿足90%以上面源排放情況。

對(duì)于排入水體的污染物，CORMIX可模擬溫排水、保守污染物、符合一階衰減規(guī)律的污染物、鹽水和含沙水體；對(duì)于受納水體，CORMIX可模擬穩(wěn)態(tài)流和潮位規(guī)則變動(dòng)的水流形態(tài)。當(dāng)水體密度隨水深變化時(shí)，CORMIX可模擬均勻密度、兩層或者三層密度變化的情況，亦適用于深水庫(kù)密度分層情況。CORMIX將受納水體的橫斷面概化為矩形，因此不適用于斷面形態(tài)極度不規(guī)則的水域，但這并不妨礙CORMIX在排放口附近水域污染物模擬的廣泛工程應(yīng)用[9-10]。

此外，Visual Plumes也是美國(guó)環(huán)保署推薦的排放口浮射流近區(qū)模擬工具，由眾多子模塊組成，其中RSB模塊能夠應(yīng)用于密度分層橫流中的線源浮力羽流，UM模塊可應(yīng)用于單孔和多孔圓形浮射流。美國(guó)遭遇卡特里娜颶風(fēng)后，在維護(hù)新奧爾良的堤壩時(shí)，美國(guó)環(huán)保署采用該程序模擬了48小時(shí)從龐恰特雷恩湖向密西西比河中排放的污水及泥沙造成的影響[11]。

2.2模型應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

CORMIX和Visual Plumes均可模擬溫排水和符合一階衰減規(guī)律等污染物的排放。美國(guó)環(huán)保署對(duì)這兩個(gè)模型的適用性進(jìn)行了詳細(xì)地分析討論，分為單孔排放、多孔擴(kuò)散器和面源排放三個(gè)模塊，在各模塊下就污染物的水動(dòng)力和物理特性、排放口幾何特性、受納水體的密度分層和受納水體的流動(dòng)特性分別開展討論，并對(duì)各情景下的模型選取進(jìn)行了初步的理論分析對(duì)比。

為評(píng)估Visual Plumes和CORMIX在排放口附近浮射流模擬的效果，A.Etemad-Shahidi[12]等利用Visual Plumes和CORMIX對(duì)Boston物理模型進(jìn)行比對(duì)計(jì)算。Boston物理模型采用多孔擴(kuò)散器排放，受納水體為密度分層的靜水。Visual Plumes和CORMIX的比對(duì)內(nèi)容包括不同的排放流量、受納水體的密度分層形式和擴(kuò)散器形式，將兩個(gè)模型的模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明CORMIX模擬效果優(yōu)于Visual Plumes。

在近10年向美國(guó)核管會(huì)提交申請(qǐng)的10份內(nèi)陸核電廠環(huán)境報(bào)告中，除2個(gè)核電廠采用Visual Plumes進(jìn)行排放口附近溫排水混合區(qū)模擬外，其余8個(gè)核電廠均采用了CORMIX進(jìn)行模擬。采用CORMIX進(jìn)行模擬的8個(gè)內(nèi)陸核電廠多數(shù)采用幾何形態(tài)較為復(fù)雜的多孔擴(kuò)散器，受納水體涵蓋了流量較大的河流(如密西西比河)、流量較小的河流(如薩斯奎哈納河)、流速較小的湖泊(如格蘭伯里湖)和水庫(kù)(如帕爾水庫(kù))。不僅如此，CORMIX還廣泛應(yīng)用于濱海核電廠溫排水模擬、符合一階衰減規(guī)律的常規(guī)污染物模擬領(lǐng)域。從CORMIX的功能出發(fā)，其可以應(yīng)用于符合一階衰減規(guī)律的放射性液態(tài)流出物的近區(qū)摻混模擬。

根據(jù)水動(dòng)力條件的不同，排放口近區(qū)的空間尺度由米至千米量級(jí)不等，這導(dǎo)致了排放口附近有可能包含近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)，盡管CORMIX和Visual Plumes具有遠(yuǎn)區(qū)稀釋擴(kuò)散模擬的功能，但由于這兩種模型無(wú)法完備地考慮實(shí)際地形變化，而地形和糙率等因素對(duì)污染物的遠(yuǎn)區(qū)稀釋擴(kuò)散影響極大，因此需要采用其他的模型進(jìn)行遠(yuǎn)區(qū)稀釋擴(kuò)散模擬。近年來(lái)發(fā)展出排放口近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)聯(lián)合模擬的應(yīng)用，即采用遠(yuǎn)場(chǎng)模型進(jìn)行受納水體全流場(chǎng)模擬，將計(jì)算得到的排放口附近的受納水體流場(chǎng)條件(如水位和流速等)導(dǎo)入近區(qū)模型中進(jìn)行近區(qū)模擬，這在受納水體為濱海水域[13-14]和湖泊[15]的排放工程中有較多的應(yīng)用。當(dāng)然，將近、遠(yuǎn)區(qū)的水動(dòng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合模擬將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)水環(huán)境問(wèn)題已引起社會(huì)各界的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)階段，為減少溫排水對(duì)水環(huán)境的影響，我國(guó)位于內(nèi)陸水域的排放工程在設(shè)計(jì)階段傾向于采用擴(kuò)散器。而我國(guó)現(xiàn)有溫排水?dāng)?shù)學(xué)模擬研究側(cè)重于考慮大尺度空間范圍的遠(yuǎn)場(chǎng)模型，當(dāng)電廠溫排水的受納水體位于內(nèi)陸并需要考慮排放口附近溫排水對(duì)水環(huán)境的影響時(shí)，如排放口下游1 km空間范圍內(nèi)，這些遠(yuǎn)場(chǎng)模型的效果差強(qiáng)人意。因此，對(duì)于內(nèi)陸水域中溫排水排放這類需要重點(diǎn)研究排放口近區(qū)溫升分布的情況，就需要采用近場(chǎng)模擬工具，如CORMIX專家系統(tǒng)。與此同時(shí)，為減少溫排水對(duì)水環(huán)境的影響，美國(guó)位于內(nèi)陸水域的排放工程實(shí)踐中已廣泛采用擴(kuò)散器，且美國(guó)環(huán)保署推薦的排放口近區(qū)模擬工具在實(shí)際溫排水模擬工作中有較為廣泛的應(yīng)用實(shí)踐和深入的對(duì)比探討。通過(guò)對(duì)國(guó)外排放工程的排放口近區(qū)溫排水模擬研究的學(xué)習(xí)，可以為我國(guó)內(nèi)陸水域排放口附近溫排水模擬研究提供一定的參考，以便更好地服務(wù)于溫排水環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

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收稿日期：2015-04-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51209228)

作者簡(jiǎn)介：覃春麗(1986—)，女(壯族)，廣西河池人，工程師，碩士，研究方向?yàn)楹穗姀S環(huán)境影響評(píng)價(jià)，E-mail：qinchunli@cgnpc.com.cn 通訊作者：張愛玲(1973—)，女，山東濰坊人，研究員，碩士，研究方向?yàn)楹嗽O(shè)施環(huán)境影響評(píng)估和安全分析，E-mail：zhang20040701@sina.com

DOI:10.14068/j.ceia.2016.04.011

中圖分類號(hào)：X824；X11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6444(2016)04-0040-03

Preliminary Studies on Numerical Simulation of Thermal Effluent near Discharge Outlet in Inland Waters

QIN Chun-li1, ZHANG Kun2, ZHANG Ai-ling2, SHANGGUAN Zhi-hong1,CHEN Xiao-li3

(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute, China General Nuclear Power Corporation, Suzhou 215004, China; 2.Nuclear and Radiation Safety Center, Ministry of Environment Protection, Beijing 100082, China;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract:According to difference in the numerical simulation of thermal effluent between the inland and littoral areas, the current numerical simulation situation of thermal effluent in inland waters in China was analyzed. In order to provide reference for the numerical simulation of thermal effluent near discharge outlet in inland waters in China, the characteristics of CORMIX Expert System recommended by U.S. EPA were summarized. In addition, the applicability and application situation of two U.S. EPA recommended near-zone simulation tools were briefly introduced in this paper.

Key words:environmental hydraulics; thermal effluent; inland waters; near-zone; numerical simulation